New York Üniversitesi liderliğindeki bir araştırma ekibi; mısır, sorgum ve darıda tek tek hücreleri karşılaştırmak ve bu önemli tahıl ürünleri arasındaki evrimsel farklılıkları ortaya çıkarmak için tek hücreli RNA sekans teknolojisini kullandı. Nature dergisinde yayınlanan çalışma sonuçları, bilim insanlarını kuraklığa tolerans gibi temel tarımsal özellikleri hangi genlerin kontrol ettiğini belirlemeye daha da yaklaştırıyor ve iklim değişikliğinin getirdiği daha kuru ortamlara mahsulleri adapte etme yaklaşımlarının geliştirilmesine yardımcı olabilir.
New York Üniversitesi Biyoloji Bölümü ile Genomik ve Sistem Biyolojisi Merkezi’nde Profesör olan kıdemli yazar Kenneth Birnbaum ve meslektaşları, bulgularını “A pan-grass transcriptome reveals patterns of cellular divergence in crops” başlıklı bir makalede rapor ettiler ve şu sonuca vardılar: “… tek hücre tekniklerinin, bitki hücre tipi evrimi hakkında bilgi sağlamak ve önemli mahsul türlerinde genetik modüller ile hücresel özellikler arasındaki bağlantıyı keşfetmek için yeni yöntemler sağlamak için nasıl hızlı bir şekilde bir pan transkriptom oluşturabileceğini gösteriyoruz.”
Yazarlar, mısır (Zea mays) ve sorgumun (Sorghum bicolor) dünya çapında insanlar ve hayvanlar için gıda sağlayan ve milyonlarca yıl önce iki farklı türe dönüşen yakın akrabalar olan otlar olduğunu açıkladı. “Z. mays (mısır) temel bir üründür ve S. bicolor (sorgum), yaklaşık 12 milyon yıl önce ortak bir atayı paylaşan mısır ile yakından ilişkili olan önemli bir kurak alan ürünü ve biyoyakıt adayıdır.”
Ortak bir atadan gelmelerine rağmen, bu iki bitki kuraklığa dayanıklılık ve soğuğa tolerans gibi temel özelliklerde önemli farklılıklar göstermektedir. Örneğin, sorgum kuraklığa karşı mısırdan çok daha toleranslıdır ve bitkiler çevrelerindeki toprakla nasıl etkileşime gireceklerini şekillendirmek için köklerinden benzersiz yapışkan maddeler salgılarlar. Bu farklılıklar, mısırın sorgumdan ayrıldıktan sonra bütün bir genom duplikasyonuna (WGD) uğramasından kaynaklanıyor olabilir.
New York Üniversitesi Biyoloji Bölümünde doktora sonrası araştırmacı olan baş yazar Bruno Guillotin, “Bu üç ürün birbirine benzese de, birbirlerinden nasıl farklılaştıkları önemli çünkü kuraklığa tolerans gibi birinden diğerine aktarmak isteyebileceğimiz özelliklere sahipler” dedi.
Ekip, “İki bitkinin önemi, evrimsel yakınlıkları ve işlevsel farklılıkları, bitkilerde hücresel evrimin karşılaştırmalı analizi için bir fırsat sunuyor” diye devam etti. “Mısır, sorgum ve dış grup S. viridis‘te (Setaria) hücre düzeyinde gen ekspresyonu modellerinin karşılaştırılması, hücresel evrimi ve gen duplikasyonlarının rolünü incelemek için bir fırsat sunuyor.” Üçüncü ot olan darı (Setaria viridis), mısır ve sorgumun daha uzak bir akrabasıdır.
Araştırmacılar çalışmaları için mısır, sorgum ve darı köklerinin tek hücreli mRNA profilini çıkardılar, hücrelere tek tek bakmak için kökleri parçalara ayırdılar ve belirli bir hücrede genlerin tam olarak nerede ifade edildiğini gözlemlediler. Daha sonra aynı özelleşmiş hücreleri üç ürün arasında karşılaştırdılar.
Birbaum, “Kökler kuraklık ve sıcağa karşı ilk savunma hattıdır” dedi. “Kökü birçok çalışan parçası olan bir makine olarak düşünebilirsiniz – bu durumda hücre tipleri – bu nedenle makinenin su toplamak ve kuraklık ve sıcaklıkla başa çıkmak için nasıl çalıştığını bilmek gerçekten önemlidir. Farklı türleri karşılaştırmak, hangi genlerin temel tarımsal özelliklere yol açtığını ayırt etmemize yardımcı oluyor.”
Farklı türlerde hücrelerin nasıl evrimleştiğini ve farklılaştığını inceleyen araştırmacılar, hücrelerin mevcut unsurlarının zaman içinde yeniden düzenlendiğine işaret eden birkaç eğilim tespit etti. İlk olarak, hücrelerin gen ekspresyon modüllerini veya koordineli işlevlere sahip 10 veya 50 gen grubunu evrim boyunca hücre tipleri arasında sıklıkla takas ettiğini gözlemlediler.
Birnbaum, “Bu gen modülü değişimi hayvan sistemlerinde gösterilmişti ancak elde ettiğimiz veriler bitkilerde ilk kez geniş bir düzeyde gösterildi” dedi. Modüllerin yer değiştirmesi, köklerin toprağa yaydığı besinlerle dolu yapışkan bir madde olan kök salgısı ile ilgili bir keşifte gösterildi. Salgı, köklerin geçebilmesi için toprağı yağlamakta ve bitkiyi koruyan ya da elde edilmesi zor besinleri sağlayan yararlı bakterileri çekebilmektedir.
Araştırmacılar, kök üretimine yardımcı olan genlerin mısır, sorgum ve darı kökünün farklı kısımlarında bulunduğunu tespit etti. Sorgumda, salgı genleri kökün dış dokusunda bulunurken, mısırda bunlar kök şapkasında yeni bir hücre tipine dönüşmüştür; bu, mısırın nitrojen kazanmasına yardımcı olan bakterileri çekmesini sağlayabilecek evrimsel bir değişikliktir. “Homolog hücre tipleri, mısır kolumellasında eksprese edildiği bulunan müsilaj genleri gibi gen ekspresyon modüllerinin değiştirilmesiyle kısmen farklılaşıyor gibi görünüyor” dediler.
Ayrıca, mahsule bağlı olarak farklı hücre tipinde yer değiştiren diğer gen regülatörlerini de tespit ederek, araştırmacılara belirli özellikleri taşıyan genleri test etmek için birincil adaylar sundular. Bilim insanları, “… hücre tipleri arasında 50’den fazla değiştirilmiş modül tespit ettik” diye yazdı. “Değiştirilen modüller, mısır ve ilgili türler arasındaki hücresel özelliklerde farklılıklara aracılık edebilecek genler için başlıca adaylardır.”
Buna ek olarak araştırmacılar, 12 milyon yıl önce sorgumdan ayrıldıktan sonra mısırdaki genom duplikasyonunun belirli hücre türlerini etkilediğini ve mısır hücrelerinin hızla özelleşmesine izin verdiğini buldular. Ayrıca, bazı hücre türlerinin yeni genlerin donörü olarak hareket ettiğini, diğerlerinin ise yeni gen kopyalarını topladığını gözlemlediler; bu da gen duplikasyonunun belirli hücrelerin evrimini hızlandırdığını gösteriyor olabilir. “Karşılaştırmalı hücresel analiz, bazı hücre türlerinin transkriptomlarının, kısmen diğer hücre türlerinden gen modüllerinin alınmasıyla, diğerlerinden daha hızlı farklılaştığını göstermektedir” diyen araştırmacılar, “Veriler ayrıca, yakın zamanda gerçekleşen genom duplikasyonunun, hızlı gelişen hücre türlerini destekleyen yeni, oldukça lokalize gen ekspresyon alanlarının zengin bir kaynağını sağladığını göstermektedir” ifadelerini kullandı. Tek hücre sekanslama tekniklerindeki son gelişmeler bu araştırmayı mümkün kıldı ve mahsullerde genler ile hücresel karakterler arasındaki bağlantıyı keşfetmek için yeni yöntemlerin önünü açtı. Birnbaum, “On yıl önce, ilk tek hücre sekanslama teknikleriyle yalnızca bir ya da birkaç düzine hücreyi analiz edebiliyorduk. Şimdi ise oldukça rutin bir deneyde on binlerce hücrenin profilini çıkarabiliyoruz” dedi.
Yazarlar şu sonuca varmıştır: “Hücre-hücre karşılaştırmalı analiz, ince ölçekli hücresel profillemenin bir pan transkriptomundan nasıl korunmuş modüller çıkarabileceğini ve mahsullerdeki temel işlevlere aracılık eden hücrelerin evrimi hakkında nasıl fikir verebileceğini göstermektedir.”
Gelecekteki çalışmalar, bu üç bitkinin tek tek hücrelerinin kuraklık gibi strese nasıl tepki verdiğini karşılaştıracak. Birnbaum, “Kuraklığa tolerans için gerçekten önemli olan gen kümesini bulmanın anahtarı bu tepkidir” dedi. [1]Single-Cell Sequencing Reveals Trait Evolution in Cereal Crops
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Single-Cell Sequencing Reveals Trait Evolution in Cereal Crops |
|---|
